From biomonitoring of dioxins from Baltic fish to human populations to epidemiology,

risk assessment and risk managementJouni Tuomisto, THL

Outline

• Why do we care about dioxins?• A public health approach on dioxins in fish

– Biomonitoring in fish– Biomonitoring in humans– Epidemiology in humans

• A vulnerable group approach– Health data from animals and humans

• A food and feed monitoring approach

• Biomonitoring (in this presentation): measuring pollutants from human, animal or food samples.

What are dioxins?

• A group of persistent, fat soluble, organic compounds with 4-8 chlorines.

• Dioxins stimulate AH receptor and lead to many physiological and toxic endpoints, e.g. CYP1A1 induction, reproductive effects,...

• Dioxins accumulate in the environment, e.g. in fish and milk.

Dibenzo-p-dioxin

10 9

8

7

5 64

3

2

1O

O

2,3,7,8-TCDD

O

O

ClCl

Cl Cl

Dirty dozen (Stockholm Convention on Persisten Organic Pollutants 2001)

Aldrin

Chlordane

Dieldrin

Endrin

Heptachlor

Hexachloro

benzene

Mirex

Toxaphene

PC

Bs

DD

T

Dioxins

Furans

Baltic fish is the major dioxin source in Finland. Is Baltic fish a public health hazard?

PCDD/F concentrations in Finnish fish• Salmon• Baltic herring• Whitefish• Sprat• Perch• Flounder• Pike perch• Pike• Burbot

• Farmed whitefish• Farmed char

• Bream• Vendace• Whitefish• Pike perch• Perch• Pike• Burbot

EU limit value

PCDD/F concentration by age in Finland.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100

Age, years

WH

O-T

Eq,

ng/

kg

Cases

Controls

Tuomisto JT et al. 2004

Decrease of PCDD/Fs in breast milkFinland, mothers milk 1987-2000, primiparae mothers

WHOPCDD/F-TEq

9.4

15.516.2

19.1

27.6

0

5

10

15

20

25

3019

85

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Year

pg/g

fat

Vartiainen et al.

What is the right health metric?

BAU

Restrict fish use

30900

23400

-206

-154

If risk managers assume responsibility of total health effect of salmon consumption

If risk managers care only for cancer due to pollutantsTuomisto JT et

al. 2004

30000250000

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 20 40 60 80

WHO-TEq, ng/kg

Odd

s ra

tio

Odds ratios of STS by PCDD/F concentration (95 % CI).

Tuomisto JT et al. 2004

Comparison of WHOPCDD/F-TEqs between fishermen and average population in Finland

In Finland at the end of 1990's, fishermen versus average population

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

age

WH

OPC

DD

/F-T

EQ, f

at

average menaverage women

fishermen

Kiviranta et al. 2002, Tuomisto JT et al. 2004

A ll c aus esDis eas es of the c irc u la tory s y s tem

Malignant neoplas msDrow ning

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Fis hermen

Fis hermen's w iv es

The Fishermen study: mortality reduced despite double dioxin intake

• Turunen AW et al: Int J Epidemiol. 2008;37:1008

Is Baltic fish a public health hazard?

• Conclusion 1.– No. In general, the (cardiovascular) health benefits of

even the most polluted Baltic herring and salmon far outweight the risks.

• But…– Did we ask the right question?

Are there vulnerable groups that we should be especially worried about?

In utero / Lactational TCDD ExposureEffects on Molar Development in rats

M1M2

M3

M1 M2

Control TCDDKattainen, H. et al., 2001

• The enamel in the tooth 6 is deformed.

• Due to dioxin exposure during pregnancy and the first year of life.

• Increases the risk of caries.

Alaluusua et al. 1996

Dioxin causes tooth defects

Tooth defects of dioxins

0

1

2

3

0 50 100

Level ofmineralization

Individuals ranked by their total exposure to PCDD/Fs

P < 0.005

Mineralization defects of the permanent firstmolars in relation to the ranked individual valuesof the total exposure to PCDD/Fs

Alaluusua et al., Lancet 1999;353:206

Are there vulnerable groups that we should be especially worried about?

• Conlusion 2– Yes. Pregnant and nursing women may expose their

children to relatively high amounts of dioxin and cause tooth defects.

– Currently, there is a safety margin, but it is small.– This has had an impact on fish recommendations.

• So, how should we manage this risk?

Should we withdraw all food items going beyond the EU limits?

Withdrawals of food items due to high dioxin levels in the EU

• Citrus pulp from Brazil used in animal feed, 1998– Cause: contaminated lime in food processing

• Belgian chicken incident, 1999– Cause: someone dumped PCB oil to used food oil

• Mozzarella incident in Italy, 2008

• Pork dioxin crisis in Ireland, 2008

• Animal feed producer Harles & Jentzsch, Germany 2011

Accumulation over months

• Example Belgian chicken crisis, 1999.

Should we withdraw all food items going beyond the EU limits?

• Conclusion 3– EU dioxin directive has created an automatic food

crisis generator with little benefit to infants, the risk group.

• Overall conclusion:– Biomonitoring is useful in understanding exposure

levels and pathways.– With the same data, different questions will lead to

different risk management.• The presentation:

http://en.opasnet.org/w/File:Dioxins.ppt

Conclusions

• Measurements are needed to learn about the pathways in the environment, accumulation, and intakes in humans.

• Some policy recommendations can already be given with a limited data.

• Some other recommendations are much less obvious and require thorough discussions between scientists and policy-makers

– We should aim at shared understanding.

Accumulation over decadesExample during Belgian chicken crisis

Emissions to air(UK time trends)

PCDD/F Emissions (I-TEQ) and Air Concentrations at UK Urban TOMPs Sites 1991-2002

0

200

400

600

800

1000

1200

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002

UK

Est

imat

ed A

nnua

l Em

issi

ons

of

PC

DD

/F t

o A

tmos

pher

e (g

I-T

EQ

nd=

dl)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Ann

ual M

ean

Air

Con

cent

ratio

n

(fg

I-T

EQ

m-3

)

Total Emissions

London

Manchester

Middlesbrough

PCDD/F deposition(German time trends)

0

5

10

15

20

25

1990 1995 2000 2005

Year

Dep

os.

(p

g I

-TE

Q m

-2d

-1)

Frankfurt

Hünfelden

Crumstadt

Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

PCDD/F and PCB in breast milk in various countries (2002, mind timing!)

Median WHOPCDD/F-TEq and WHOPCB-TEq in breast milk

0

10

20

30

40

Bra

zil

Aus

tral

ia

Hun

gary

Bul

gari

a

New

Zea

land

Irel

and

Tai

wan

*

Cro

tia

Nor

way

Rom

ania

Swed

en

Slov

ak_R

epub

lic

Cze

ch_R

epub

lic

Spai

n

Rus

sia

Egy

pt

Ital

y

The

Net

herl

ands

Ukr

aine

Bel

gium

*

Country

pg/

g fa

t

WHOPCB-TEq

WHOPCDD/F-TEq

Leeuwen & Malisch 2002, Chao et al., 2004, Focant et al., 2002

Profiles of PCDD/F-TEq: you are what you eat

8 10

1

8

1

71

0

10

20

30

40

50

60

70p

erc

en

tag

e

Baltic salmon/herring

3

32

1

47

3 3

9

0

10

20

30

40

50

60

70

Bream

32

18

1

8

1 1

18

1

18

10

10

20

30

40

50

60

70

Pike

4

22

1

50

51 1

14

12

0

10

20

30

40

50

60

70

congeners

Bream eating fisherman

26

21 16

8

1

24

211

0

10

20

30

40

50

60

70

congeners

Pike eating fisherman

1116

6

1 1

63

11

0

10

20

30

40

50

60

70

pe

rce

nta

ge

congeners

Baltic salmon and herring eating fisherman

Kiviranta et al. 2002

Maternal Fat PCDD/F Concentrations vs. Tooth Defects in Rat and in Man

Releases of PCDD/F to air in Sweden g/year as TEq

Selected sources 1993 2004 Notes

Metal industries 7-25 11-19

Cement industries 3-6 0.2-0.3

Pulp and paper ind. 1 1.2 Water 1.5-5 (1993), <0.1 (2004)

Fossil-fuel boilers 0.7-3 <4

Small-scale wood b. 3.5-18 <14

Waste incineration 3 1.1

Landfill fires 2.8-30 0.4-65

Breast milk PCDD/F (diamonds) and PCB (squares)

0

10

20

30

40

50

60

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

Year

WH

O-T

EQ

,pg/

g fa

t

Kiviranta 2005

Sweden

Germany

Kalan edut ja riskit

• Edut

• Ravitsemuksellinen arvo (mm. valkuaisaineet)

• Tietyt vitamiinit (esim. D) ja mineraalit (esim. Se)

• Edulliset rasvahapot (omega-3): sydänriskit, raskauden riskit

• Korvaa kovia rasvoja

• Riskit

• Mikrobiologiset ongelmat

• Toksiinit (esim. botulismi, eräät levätoksiinit)

• Kemialliset riskit (esim. Hg, As, PCB, PCDD/F, organoklooripestisidit)

EU-komissio

• Maksimipitoisuudet 1.7.2002

• Kala: 4 ng/kg (pg/g) PCDD/F tuorepainossa, lähiaikoina PCB-yhdisteet mukaan

• “does not necessarily mean that there is an appreciable risk to the health of individuals, because the tolerable weekly intake includes a safety factor … however … leads to erosion of the protection embedded in the safety factor”

• Suomi ja Ruotsi: poikkeus vuoteen 2006, velvoite hankkia lisätietoja ja informoida väestöä

Uusia ajatuksia?

• Vuosia haettu AH-reseptorin fysiologista (”normaa-lia”) tehtävää (mm. kasvun ja kehityksen säätelijä??)

• Yksi ilmeinen tehtävä kuitenkin juuri vierasaineiden pilkkomisen kiihdyttäminen, myrkylliset aineet hoidetaan pois elimistöstä

• Siten pieni AH-reseptorin aktivaatio hyödyllinen, ei haitallinen

• Vuosia kiistelty dioksiinien syöpää aiheuttavista ominaisuuksista

• Eläinkokeissa selvä, suurten työaltistusten jälkeen todennäköinen mutta ei kovin vahva syöpäriski

AH-reseptorin ”luonnollinen” aktivaatio

• Monet kasvien aineet (erityisesti kaalikasvien mutta myös muiden vihannesten ja hedelmien flavonoidit ja muut aineet) stimuloivat AH-reseptoria

• Hedelmät ja vihannekset erityisen terveellisiä ja syynä nähty mm. juuri nämä flavonoidit, jopa kokeita menossa niiden syöpää estävästä vaikutuksesta

• Onko siis myös pieni määrä dioksiinia hyödyllinen eikä haitallinen, kun se stimuloi elimistön hävittämään vierasaineita??

• Ainakin kyseenalaistaa dioksiinien pienen annoksen syöpävaarallisuuden

Uusi dioksiini-rehuepisodi Saksassa

• Muistuttaa Belgian rehuskandaalia 1999

• Rehuöljyihin joutunut teknistä öljyä

• Rehussa 1,1-1,5 pg/g (EU maksimiraja 0,75 pg/g)

• Pitoisuudet joidenkin tilojen kananmunissa enintään 4-5-kertaisia sallittuihin rajoihin (3 pg/g) verrattuna, kananlihassa enintään 2-3-kertaisia

• Sianlihassa muutama näyte 1-1,5 pg/g (raja 1,0)

• Pitoisuudet noin sadasosa Belgiassa 1999 tavatuista pitoisuuksista

• Ylinopeus kaupungissa 60 km/h vai 180 km/h?

Dioksiineja löytyi ensin kanoista ja kananmunista, sittemmin myös sianlihasta

Kuva Der Spiegel

Harles & Jentzsch rehurasvan kierrätysyhtiö lähellä Hampuria on keskipisteessä

Kuva Der Spiegel

Elintarvikkeet pidettävä erossa teknisistä kemikaaleista

• Harles& Jentzschissä teknisiä rasvoja tullut rehurasvojen sekaan

• Eräissä varastoissa sekä rehurasvoja että teknisiä rasvoja. Sekaannus?

• Petrotec Biodiesel valmistaa jäterasvoista biodieseliä, aluksi väitti, ettei toimita rehutehtaille, on toimittanut kolmannen osapuolen kautta

• Epäselvää, mistä dioksiini tullut, ilmeisesti ei ainakaan syntynyt Petrotecin prosesseissa

• Herättää kysymyksiä sekakäsittelystä. Biodiesel? Huoltoasemat? Kemikaalit ruokakaupassa?

Riskikeskustelu Saksassa vanhahtavaa

• Puhutaan dioksiinien aiheuttamasta syöpäriskistä

• Sekä media että viranomaiset vähän perässä: jo 1998 WHO:n asiantuntijaryhmä arvioi, että syöpäriski ei ole dioksiinien olennaisin riski

• Olennainen on kehityshäiriöriski, sekä raskauden aika että imetyksen aika tärkeitä

• Syytä valvoa äitien ja tulevien äitien pitoisuuksia, sen määrää heidän koko siihenastinen altistumisensa

• Nykytaustapitoisuuksilla kuitenkin riski vähäinen, jos valvonta kunnossa ja episodit havaitaan ajoissa

Kalan edut ja riskit

• Edut

• Ravitsemuksellinen arvo (mm. valkuaisaineet)

• Tietyt vitamiinit (esim. D) ja mineraalit (esim. Se)

• Edulliset rasvahapot (omega-3): sydänriskit, kehitys, raskauden riskit

• Korvaa kovia rasvoja

• Riskit

• Mikrobiologiset ongelmat

• Toksiinit (esim. botulismi, eräät levätoksiinit)

• Kemialliset riskit (esim. Hg, As, PCB, PCDD/F, organoklooripestisidit)

Kalan ja kalaöljyjen käyttö ja sydän-kuolleisuus

Mozaffarian and Rimm, JAMA 2006

Kalastajatutkimus (Turunen ym. 2008)

• 6410 kalastajaa, 4260 puolisoa• Kalan käyttö runsaampaa kuin perusväestöllä, sekä

hyödylliset rasvahapot että dioksiinit kohonneet• Kokonaiskuolleisuus pienempi kuin perusväestöllä

– Kalastajat 78%– Vaimot 84%

• Sydänkuolleisuus vähäisempi– Kalastajat 73%– Vaimot 65%

• Kalastajilla myös aivoinfarktien ja syövän määrät vähentyneet

Maternal Fat PCDD/F Concentrations vs. Tooth Defects in Rat and in Man

1 10 100 1000 10000

Concentration (pg I-TEQ/g fat)

Frequency and severity of mineralization defects(Alaluusua et al., 1996)

Smaller molars andretarded eruptionRat

Human

0.03 µg/kg 0.05, 0.20, 0.80, 1.0 µg/kg, (Hurst et al., 2001)

1.0 µg/kg

Missing molars

Uutta kalasta ja hermoston kehityksestä

• Dioksiineihin liittyy kehityshäiriöiden riski, mutta:

• Monityydyttymättömät rasvahapot (EPA, DHA, etenkin DHA) välttämättömiä hermoston kehitykselle

• Raskauden aikana ja äidinmaidosta; riippuu suurelta osin äidin kalan käytöstä

• Vakavassa puutostilassa mm. huono näkökyky

• 14541 lapsen tutkimus (Hibbeln 2007) osoitti alle 340 g kalan viikkosaannin liittyvän heikompaan hermoston kehitykseen kuin yli 340 g (mm. IQ)

H/W vs. L-E rats

H/W L-E Lethality, LD50 >10,000 μg/kg 10 μg/kg

Liver damage mild severe

Anorexia transient to lethality

Enzyme induction 0.1 – 1 μg/kg 0.1 – 1 μg/kg

Thymus involution yes yes

Teratogenicity, developmental effects

yes yes

AH receptor binding 23 fmol/mg 20 fmol/mg

Lethal Dose in Different Species Single-dose LD50 (μg/ kg body wt)

Guinea pig 2Rat 10-60Rh. Monkey ~ 70Rabbit 115Mouse 100-300Dog > 300Bullfrog > 500Hamster ~ 3,000Han/Wistar(Kuopio) rat > 10,000

Which of theselab speciesbest predicts humansusceptibilityto lethalityfrom dioxins ??

Efficacy rather than potency

Liver EROD activity

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

(p

mo

l/(m

g*m

in))

0

Serum ASAT activity

0

300

600

900

1200

1500

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

TCDD (µg/kg)

(U/l)

0

Mean severity of incisor tooth defects

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

0

Serum bilirubin concentration

0

5

10

15

20

25

30

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

TCDD (µg/kg)

(µm

ol/l

)

0

Line A Line B Line C

Simanainen et al. 2003

PCDDs, PCDFs, DL-PCBs

• 75 PCDDs

• 135 PCDFs

• 209 PCBs, 4 non-ortho, 10 mono-ortho (DL)

Biphenyl

5'6'65

4'4

3'2'3 2

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

3,3',4,4',5-PCB

Dibenzo-p-dioxin

10 9

8

7

5 64

3

2

1O

O

2,3,7,8-TCDD

O

O

ClCl

Cl Cl2,3,4,7,8-PeCDF

O

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl